纯电动轿车三电匹配计算示例1

以某一型号的传统轿车为例，改装为纯电动轿车，重新设计动力系统参数，并验证匹配设计方法是否合理。整车数据见表1，三电及减速器性能指标见表2。

表1 整车数据

表2 三电及减速器性能指标

1 电池参数

1.1 电池电量匹配

电池的电量主要由整车续航里程和电机、电控、电池的效率及能量回馈率等因素来确定。

1.1.1 匀速行驶里程的电池电量需求

在水平路面匀速行驶的电池电量平衡方程如下：

式中：S1——车辆续航里程，km；η1、η2、η3——传动系统效率、电机控制器系统效率、电池的放电效率，取估算值η1=92%，η2=88%，η3=100%；P0——整车附件耗电量，kW。

根据式 （1），按标准m取半载质量，令V=60，80 km／h，可得到电池电量与续航里程的关系拟合曲线，见图1。

1.1.2 NEDC下的电池电量需求

因xxx项目设计最高车速为120 km／h，因此这里计算需考虑典型城市工况及城郊工况。根据加速过程中行驶方程，可以推到一个匀加速工况下电机所做的功：

图1 电池电量与续航里程的关系拟合曲线

图2 NEDC工况不同回馈率下续航与电池电量的关系拟合曲线

式中：a——加速度，m／s2；V0——初始车速，m／s；V——匀速行驶车速，m／s。

于是得到NEDC工况下续航里程S2与电池电量的关系式：

式中：t0——一个工况循环车辆运行时间，s；S0——一个工况循环车辆运行距离，km；η1——机械传递效率；η2——电机电控系统平均工况效率；η3——电池的充电效率；η4——制动能量回馈率，%。

将整车相关技术参数代入式 （3），（4），依据标准，由一个NEDC循环车辆运行时间t0=900 s（不含停车时间）估值低压附件功率P0=0.2 kW，电机电控系统平均工况效率估值η2=88%，放电效率η4=100%，在无制动回馈的条件下，一个NEDC工况电池的输出电量为：

对于减速工况，可以推到一个匀减速工况下电池可以回收的能量如下：

将整车相关技术参数代入式 （5），根据NEDC工况要求，电池能量回馈率=W回馈／W功=13.8%。

由NEDC工况标准得知一个NEDC循环车辆理论行驶距离S0=11.023 km，在制动能量回馈为η4的条件下，电池电量与续航里程的关系式：

式中：S2——NEDC工况下续航里程，km；η4——制动能量回收率，%。

由式 （5）得到NEDC工况下，车型电池电量与续航里程及能量回收率的关系拟合曲线，见图2。

由图2可查到要满足NEDC工况整车续航里程250 km的要求，动能量回馈率，电池电量在36.99～40.11 kWh之间，考虑到百公里电耗要求，按能量回馈率8%估值，确定电池电量：W2=37 kWh。

根据新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求，新能源乘用车技术要求规定：当车辆1000＜m≤1600 kg时，Y≤0.0108×m+2.25；那么Y=0.0108×1167+2.25=14.9，百公里电耗=（W2／S／η充）×100=（35／251／0.95）×100=14.7≤Y，满足要求 （设充电机效率：≥95%）。

1.1.3 整车电量确定

由1.1.1、1.1.2计算结果，可以初步确定满足整车续航条件的电池电量：W=Max（W1，W2）=37 kWh。

1.2 电池功率及放电倍率匹配

1.2.1 电池功率匹配

电池功率参数主要由电机及整车附件的功率和决定，影响因素主要为：电机电控系统的效率、电池的放电效率及满功率输出要求的电池SOC值。

1）电池的持续及峰值放电功率的计算由电池的放电功率平衡方程：

式中：P m——电机的输出功率，kW；P V——整车附件功率，为高压附件DC-DC，空调或暖风等输入功率之和；η2——电机电控的系统效率，计算按估值88%；η3——电池放电效率，计算值取100%。

由整车提供的DC-DC、空调压缩机、PTC的功率参数可知P V=1.2+1.3=2.5 kW，设电池峰值放电倍率为2，可得到电池的峰值放电功率：P bdcmax=35×2=70 kW。如果设定电池峰值放电倍率2来考虑，那么：（P m1max／η2+2.5）／η3=35×2，P m1max=59.4 kW。

设电池持续放电倍率为1，持续放电功率：P bdc=35×1=35 kW。

如果设定电池持续放电倍率为1来考虑，那么：（P m额／η2+2.5）／η3=35，P m额=28.6 kW。

2）电池的脉冲峰值馈电功率估算

由电机的馈电功率及效率、制动过程舒适性要求、制动法规要求等因素确定。因仅考虑到电池馈电功率的极值，地面附着系数取最大值ε=0.8。由此得到前轮最大制动力：

式中：β——前后轮制动力分配系数，由整车提供为β=2.49（估值）。M取半载质量1347 kg，可得到：F fmax=7534.6 Nm。此时的电机的最大制动力矩需求为：

由水平路面车辆行驶方程F t=F f+F j+F w，可得到恒制动力矩下瞬间制动减速度与电机扭矩及转速的关系式：

m取半载质量1347 kg。

式 （9）中代入整车设计相关参数，可得到制动减速度与电机的扭矩及转速的关系式 （速比为7.3:1）：a=0.017T m+0.13+0.000023×V2（m／s2），即：T m=58.8a-7.7-0.0014×V2（Nm）。

由回馈车速不小于15 km／h，即转速n不小于1016 r／min，可得到最大电机扭矩与制动减速度的关系式 （速比7.3:1）：

由标准IS02631提出减速度a≥2.5 m／s2会造成乘客不适，由此取a max=2.5 m／s2得到电机最大的制动力矩：

由式 （8），式 （11）可得到制动回馈过程中，考虑舒适性，电机的最大制动扭矩：

电机的馈电峰值功率为电机的峰值发电功率50 kW （估算值），取电机的发电效率最大值0.92，控制器的峰值效率0.97，可得到电池的峰值馈电功率：P bfmax=50×0.92×0.97≈45 kW。